CN113527685B - 一种聚苯并咪唑离子溶剂膜及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种聚苯并咪唑离子溶剂膜及其制备方法与应用，其制备方法具体包括：在氮气氛围下，向PPA溶剂中加入含有上述R结构的二酸和联苯四胺，加热搅拌升温至120‑160℃，反应3‑10小时，趁热将溶液倒入去离子水中，得到丝状聚合物，多次洗涤后加入碳酸氢钠将溶液调至中性，过滤并将得到的固体聚合物用水煮沸，过滤，将得到的聚合物烘干；将烘干的聚合物在25‑100℃下溶于极性溶剂中，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平，于60‑100℃下干燥5‑24h成膜，然后于80‑150℃下真空干燥1‑24h，即得所述聚苯并咪唑离子溶剂膜。本发明聚苯并咪唑离子溶剂膜可应用于碱性电解水槽上，具有优异的碱稳定性和电池性能。

Description

一种聚苯并咪唑离子溶剂膜及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及碱性水电解领域，特别涉及一种聚苯并咪唑离子溶剂膜及其制备方法与应用。
背景技术
21世纪以来，传统化石燃料给人类的生存环境造成了严重的威胁。此外，化石燃料储量有限，且再生周期长。人类面临着生存发展的现实问题，逐渐意识到发展绿色、可持续、可再生的能源系统尤为重要(Proceedings of the Ieee,2012,100(3):811-811)。可再生能源如风能存在随机性、间歇性等问题，无法进行持续、稳定地能源输出(RenewableEnergy,2018,123:117-124)。氢能因其绿色、稳定、比能量高受到了广大研究者的关注。同时将氢气纳入目前的能源体系将有望从根本上解决环境污染、能源短缺、温室效应等问题。传统AWE(Alkaline water electrolysis,AWE)存在能耗高、效率低等问题。为了进一步提高电池效率，降低产氢能耗，高效且成本适宜的碱性聚合物水电解(Alkaline polymerelectrolysis,APE)得到了快速发展(Adv Mater,2019:1-14)。AEM作为APE的核心部件，其性能直接影响电池的最终表现。传统AEM如PSf和PPO等，在碱性条件下容易发生醚氧键断裂反应，导致聚合物主链断裂，严重影响膜的机械稳定性。聚苯并咪唑(PBI)是高分子主链中含苯并咪唑重复单元的芳杂环聚合物，芳香性的主链使其具有较高机械稳定性和化学稳定性。PBI的离子交换基团位于主链上，其咪唑环上的氮原子在碱性条件下容易脱质子化，形成网络状负电性的结构，具备了阴离子传导的物质基础。在碱性聚合物电解水装置中，阴阳极电解液是一定浓度的KOH溶液，这样，KOH掺杂的PBI膜同时具备分隔正负极、传导OH-和隔绝反应产生的气体，保持氢气纯度。
目前，商业化的聚苯并咪唑树脂为聚[2,2’-(间-亚苯基)-5,5’-二苯并咪唑](m-PBI)。其化学结构式如下：
Figure BDA0003111172570000021
David等人(Journal of The Electrochemical Society,2016,163(11):F3125-F3131)制备了一种基于m-PBI的聚合物电解质膜，将其用高浓度KOH溶液处理后，可使膜吸附大量的OH-，大大提升了膜的离子传导能力。但通过色谱和光谱对膜进行碱稳定性分析后，发现在KOH浓度大于15wt％时，聚合物膜会发生氧化降解。可见，基于PBI的AEM在AWE上有积极的发展前景，开发更高碱稳定性、优异机械性能、高电导率的阴离子交换膜至关重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有优异碱稳定性，同时具有良好机械性能和较高的氢氧根电导率的聚苯并咪唑离子溶剂膜及其制备方法与应用。
本发明中的聚苯并咪唑主链含刚性大体积结构，增加了咪唑环上C2空间位阻，进而提升了聚合物的耐碱性和机械性能。本发明利用不同结构的二酸与联苯四胺通过亲核缩聚反应制备得到。本发明在碱性水电解领域具有良好的应用前景。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种聚苯并咪唑离子溶剂膜，其特征在于，所述聚苯并咪唑离子溶剂膜为均聚物或无规共聚物，其结构通式为：
Figure BDA0003111172570000031
其中，n为聚合度，取10-200的正整数；重均分子量在5000-800000之间；R为下述结构中的一种或多种：
Figure BDA0003111172570000032
所述R结构的特点为：大体积刚性基团处于主链，可增加咪唑环C2位置空间位阻。
一种聚苯并咪唑离子溶剂膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在氮气氛围下，向PPA溶剂中加入含有上述R结构的二酸和联苯四胺，加热搅拌升温至120-160℃，反应3-10小时，趁热将溶液倒入去离子水中，得到丝状聚合物，多次洗涤后加入碳酸氢钠将溶液调至中性，过滤并将得到的固体聚合物用水煮沸，过滤，将得到的聚合物烘干；
步骤2：将烘干的聚合物在25-100℃下溶于极性溶剂中，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平，于60-100℃下干燥5-24h成膜，然后于80-150℃下真空干燥1-24h，即得所述聚苯并咪唑离子溶剂膜。
进一步，所述步骤1中含有R结构的二酸单体与联苯四胺在PPA溶剂中的单体浓度为1-25wt％。
进一步，所述步骤1中含有R结构的二酸单体与联苯四胺的摩尔用量相同。
进一步，所述步骤2中极性溶剂为NMP、DMF、DMAc、DMSO的一种或多种。
进一步，所述步骤2中聚合物溶液的浓度为2-10wt％。
进一步，所述步骤2中聚苯并咪唑离子溶剂膜的厚度为10-100μm。
本发明还提供了上述聚苯并咪唑离子溶剂膜在碱性水电解槽中的应用，具体包括：
(1)制备电解水装置的MEA，通过催化剂涂覆基底(CCS)的方法制备阳极和阴极。制备阳极如下：将IrO2粉末(6mg)与去离子水(1mL)和异丙醇(4mL)混合，冰水浴超声处理30分钟后，将催化剂墨水喷涂到镍泡沫(厚度300μm，孔隙率90％，孔径为0.4mm)上，镍泡沫预先经过丙酮处理24h，喷涂完毕以后，在500℃下烧结6h以固定催化剂，称重计算实际负载量。对于阴极的制备，同样采用CCS，将Pt/C(40wt％)、去离子水、异丙醇和粘合剂按照5:20:1质量比配比，其余步骤同上，烧完称量以后，再喷涂催化剂含量的20％的粘合剂(PBI)于镍泡沫上，称重密封保存。
(2)将膜电极夹在阴极和阳极之间来组装电解水装置。使用镀铂Ti板作为集电器。电化学测试在0-6MKOH溶液中进行，温度保持在60-90℃，通过测量不同电流密度下的电池电压获得极化曲线；并在90℃，500mA/cm2的恒定电流下评估其耐久性。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明合成的含大体积刚性结构的聚苯并咪唑聚合物的制备条件温和；
(2)制备的聚合物具有良好的溶解性和成膜性能，能在室温下溶解于NMP、DMF、DMAc、DMSO的一种或多种极性溶剂中；
(3)得到的聚苯并咪唑离子溶剂膜具有良好的机械性能，拉伸强度能达到160-190MPa；
(4)该聚苯并咪唑离子溶剂膜应用于碱性电解水槽上，具有优异的碱稳定性和电池性能，在2.2V下电流密度可达到1500mA/cm2，在90℃，500mA/cm2的恒定电流下连续稳定运行超过250小时。
附图说明
图1为实施例1制备的聚合物结构核磁共振氢谱图；
图2为实施例1与对比例制备的聚合物膜在碱性电解水装置中不同温度下的极化曲线比较(2MKOH溶液)；
图3为实施例1与对比例制备的聚合物膜在碱性电解水装置中不同温度下的极化曲线比较(4MKOH溶液)；
图4为实施例1与对比例制备的聚合物膜在碱性电解水装置中不同温度下的极化曲线比较(6MKOH溶液)；
图5为实施例1与对比例制备的聚合物膜在碱性电解水装置中的稳定性实验。
具体实施方式
以下所述实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但并不限制本发明专利的保护范围，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。
实施例1
一种聚苯并咪唑离子溶剂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在氮气氛围下，向30gPPA溶剂中加入5mmol联苯四胺和5mmol 1，4-萘二甲酸，加热搅拌升温至140℃，反应7小时，趁热将溶液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加入5％碳酸氢钠溶液调至中性，过滤并将得到的固体聚合物用水煮沸，过滤、将得到的聚合物烘干；
(2)将烘干的聚合物在25℃下溶于NMP溶剂中，溶液的浓度控制在2wt％，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于80℃下干燥12h成膜，然后于80℃下真空干燥4h，膜的厚度在30μm。
核磁(Bruker AVANCE III HD 500 spectrometer,500MHz)用来分析NPBI的结构。以(CD3)2SO为溶剂，四甲基硅烷(TMS)做内标。核磁谱图如图1所示。13.28ppm(咪唑环中的氢、H1)，9.42ppm(萘在5和8位上的氢、H6)，7.95-8.38ppm(苯并咪唑环中的苯氢、H2、H3、H4)，7.65-7.7ppm(萘、H5和H7上的氢)。证明了NPBI的成功合成。
实施例2
一种聚苯并咪唑离子溶剂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在氮气氛围下，向30gPPA溶剂中加入5mmol联苯四胺和5mmol 2,6-萘二羧酸，加热搅拌升温至120℃，反应8小时，趁热将溶液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加入5％碳酸氢钠溶液调至中性，过滤并将得到的固体聚合物用水煮沸，过滤、将得到的聚合物烘干；
(2)将烘干的聚合物在25℃下溶于DMSO溶剂中，溶液的浓度控制在4wt％，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于80℃下干燥12h成膜，然后于70℃下真空干燥4h，膜的厚度在35μm。
实施例3
一种聚苯并咪唑离子溶剂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在氮气氛围下，向30gPPA溶剂中加入5mmol联苯四胺和5mmol 1，4-萘二甲酸，加热搅拌升温至160℃，反应10小时，趁热将溶液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加入5％碳酸氢钠溶液调至中性，过滤并将得到的固体聚合物用水煮沸，过滤、将得到的聚合物烘干；
(2)将烘干的聚合物在25℃下溶于NMP溶剂中，溶液的浓度控制在3wt％，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于80℃下干燥12h成膜，然后于80℃下真空干燥4h，膜的厚度在40μm。
实施例4
一种聚苯并咪唑离子溶剂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在氮气氛围下，向30gPPA溶剂中加入5mmol联苯四胺和5mmol 2,3-萘二羧酸，加热搅拌升温至140℃，反应7小时，趁热将溶液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加入5％碳酸氢钠溶液调至中性，过滤并将得到的固体聚合物用水煮沸，过滤、将得到的聚合物烘干；
(2)将烘干的聚合物在25℃下溶于DMAc溶剂中，溶液的浓度控制在2wt％，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于80℃下干燥11h成膜，然后于80℃下真空干燥5h，膜的厚度在30μm。
实施例5
一种聚苯并咪唑离子溶剂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在氮气氛围下，向30gPPA溶剂中加入5mmol联苯四胺和5mmol蒽-2,6-二羧酸，加热搅拌升温至140℃，反应7小时，趁热将溶液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加入5％碳酸氢钠溶液调至中性，过滤并将得到的固体聚合物用水煮沸，过滤、将得到的聚合物烘干；
(2)将烘干的聚合物在25℃下溶于DMF溶剂中，溶液的浓度控制在2wt％，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于80℃下干燥12h成膜，然后于80℃下真空干燥4h，膜的厚度在30μm。
实施例6
一种聚苯并咪唑离子溶剂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在氮气氛围下，向30gPPA溶剂中加入5mmol联苯四胺和5mmol 9，10-蒽二甲酸，加热搅拌升温至140℃，反应7小时，趁热将溶液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加入5％碳酸氢钠溶液调至中性，过滤并将得到的固体聚合物用水煮沸，过滤、将得到的聚合物烘干；
(2)将烘干的聚合物在25℃下溶于NMP溶剂中，溶液的浓度控制在2wt％，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于80℃下干燥12h成膜，然后于80℃下真空干燥4h，膜的厚度在30μm。
实施例7
一种聚苯并咪唑离子溶剂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在氮气氛围下，向30gPPA溶剂中加入5mmol联苯四胺和5mmol菲-4,5-二羧酸，加热搅拌升温至140℃，反应7小时，趁热将溶液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加入5％碳酸氢钠溶液调至中性，过滤并将得到的固体聚合物用水煮沸，过滤、将得到的聚合物烘干；
(2)将烘干的聚合物在25℃下溶于DMAc溶剂中，溶液的浓度控制在2wt％，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于80℃下干燥12h成膜，然后于80℃下真空干燥4h，膜的厚度在30μm。
实施例8
一种聚苯并咪唑离子溶剂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在氮气氛围下，向25gPPA溶剂中加入5mmol联苯四胺和5mmol四苯-5,12-二羧酸，加热搅拌升温至140℃，反应7小时，趁热将溶液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加入5％碳酸氢钠溶液调至中性，过滤并将得到的固体聚合物用水煮沸，过滤、将得到的聚合物烘干；
(2)将烘干的聚合物在25℃下溶于DMSO溶剂中，溶液的浓度控制在2wt％，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于80℃下干燥12h成膜，然后于80℃下真空干燥4h，膜的厚度在30μm。
实施例9
一种聚苯并咪唑离子溶剂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在氮气氛围下，向40gPPA溶剂中加入5mmol联苯四胺和5mmol五苯-6,13-二羧酸，加热搅拌升温至140℃，反应7小时，趁热将溶液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加入5％碳酸氢钠溶液调至中性，过滤并将得到的固体聚合物用水煮沸，过滤、将得到的聚合物烘干；
(2)将烘干的聚合物在25℃下溶于DMAc溶剂中，溶液的浓度控制在2wt％，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于80℃下干燥12h成膜，然后于80℃下真空干燥4h，膜的厚度在30μm。
实施例10
一种聚苯并咪唑离子溶剂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在氮气氛围下，向30gPPA溶剂中加入5mmol联苯四胺和5mmol 1，4-萘二甲酸，加热搅拌升温至140℃，反应7小时，趁热将溶液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加入5％碳酸氢钠溶液调至中性，过滤并将得到的固体聚合物用水煮沸，过滤、将得到的聚合物烘干；
(2)将烘干的聚合物在25℃下溶于DMAc溶剂中，溶液的浓度控制在2wt％，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于80℃下干燥12h成膜，然后于80℃下真空干燥4h，膜的厚度在30μm。
实施例11
一种聚苯并咪唑离子溶剂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在氮气氛围下，向20gPPA溶剂中加入5mmol联苯四胺和5mmol 1，4-萘二甲酸，加热搅拌升温至140℃，反应7小时，趁热将溶液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加入5％碳酸氢钠溶液调至中性，过滤并将得到的固体聚合物用水煮沸，过滤、将得到的聚合物烘干；
(2)将烘干的聚合物在25℃下溶于DMAc溶剂中，溶液的浓度控制在2wt％，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于80℃下干燥12h成膜，然后于80℃下真空干燥4h，膜的厚度在40μm。
实施例12
一种聚苯并咪唑离子溶剂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在氮气氛围下，向40gPPA溶剂中加入5mmol联苯四胺和5mmol 1，4-萘二甲酸，加热搅拌升温至140℃，反应7小时，趁热将溶液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加入5％碳酸氢钠溶液调至中性，过滤并将得到的固体聚合物用水煮沸，过滤、将得到的聚合物烘干；
(2)将烘干的聚合物在25℃下溶于DMAc溶剂中，溶液的浓度控制在2wt％，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于80℃下干燥12h成膜，然后于80℃下真空干燥4h，膜的厚度在20μm。
实施例13
一种聚苯并咪唑离子溶剂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在氮气氛围下，向40gPPA溶剂中加入5mmol联苯四胺和5mmol 1，4-萘二甲酸，加热搅拌升温至160℃，反应7小时，趁热将溶液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加入5％碳酸氢钠溶液调至中性，过滤并将得到的固体聚合物用水煮沸，过滤、将得到的聚合物烘干；
(2)将烘干的聚合物在25℃下溶于DMAc溶剂中，溶液的浓度控制在2wt％，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于80℃下干燥12h成膜，然后于80℃下真空干燥4h，膜的厚度在30μm。
实施例14
一种聚苯并咪唑离子溶剂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在氮气氛围下，向30gPPA溶剂中加入5mmol联苯四胺和5mmol 1，4-萘二甲酸，加热搅拌升温至140℃，反应8小时，趁热将溶液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加入5％碳酸氢钠溶液调至中性，过滤并将得到的固体聚合物用水煮沸，过滤、将得到的聚合物烘干；
(2)将烘干的聚合物在25℃下溶于DMAc溶剂中，溶液的浓度控制在2wt％，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于80℃下干燥12h成膜，然后于80℃下真空干燥4h，膜的厚度在30μm。
实施例15
一种聚苯并咪唑离子溶剂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在氮气氛围下，向30gPPA溶剂中加入5mmol联苯四胺和5mmol 1，4-萘二甲酸，加热搅拌升温至140℃，反应9小时，趁热将溶液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加入5％碳酸氢钠溶液调至中性，过滤并将得到的固体聚合物用水煮沸，过滤、将得到的聚合物烘干；
(2)将烘干的聚合物在25℃下溶于DMAc溶剂中，溶液的浓度控制在2wt％，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于80℃下干燥12h成膜，然后于80℃下真空干燥4h，膜的厚度在30μm。
实施例16
一种聚苯并咪唑离子溶剂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在氮气氛围下，向30gPPA溶剂中加入5mmol联苯四胺和5mmol 1，4-萘二甲酸，加热搅拌升温至150℃，反应7小时，趁热将溶液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加入5％碳酸氢钠溶液调至中性，过滤并将得到的固体聚合物用水煮沸，过滤、将得到的聚合物烘干；
(2)将烘干的聚合物在25℃下溶于DMAc溶剂中，溶液的浓度控制在2wt％，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于80℃下干燥12h成膜，然后于80℃下真空干燥4h，膜的厚度在35μm。
实施例17
一种聚苯并咪唑离子溶剂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在氮气氛围下，向30gPPA溶剂中加入5mmol联苯四胺和5mmol 1，4-萘二甲酸，加热搅拌升温至140℃，反应7小时，趁热将溶液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加入5％碳酸氢钠溶液调至中性，过滤并将得到的固体聚合物用水煮沸，过滤、将得到的聚合物烘干；
(2)将烘干的聚合物在25℃下溶于DMAc溶剂中，溶液的浓度控制在2wt％，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于80℃下干燥12h成膜，然后于90℃下真空干燥4h，膜的厚度在30μm。
实施例18
一种聚苯并咪唑离子溶剂膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)在氮气氛围下，向30gPPA溶剂中加入5mmol联苯四胺和5mmol 1，4-萘二甲酸，加热搅拌升温至140℃，反应7小时，趁热将溶液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加入5％碳酸氢钠溶液调至中性，过滤并将得到的固体聚合物用水煮沸，过滤、将得到的聚合物烘干；
(2)将烘干的聚合物在25℃下溶于DMAc溶剂中，溶液的浓度控制在2wt％，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于80℃下干燥12h成膜，然后于100℃下真空干燥4h，膜的厚度在30μm。
对比例
本例以m-PBI作为对比例：
(1)在氮气氛围下，向30gPPA溶剂中加入5mmol联苯四胺和5mmol间苯二甲酸，加热搅拌升温至140℃，反应7小时，趁热将溶液倒入去离子水中得到丝状聚合物，多次洗涤后加入5％碳酸氢钠溶液调至中性，过滤并将得到的固体聚合物用水煮沸，过滤、将得到的聚合物烘干；
(2)将烘干的聚合物在25℃下溶于DMAc溶剂中，溶液的浓度控制在2wt％，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平,于80℃下干燥12h成膜，然后于80℃下真空干燥4h，膜的厚度在30μm。
将实施例1～18制得的聚苯并咪唑离子溶剂膜与对比例制得的m-PBI的机械性能相比较，结果如表1所示。由表1可知，本发明制得的聚苯并咪唑离子溶剂膜具有更好的拉伸强度，能达到160-190MPa。
表1实施例1～18与对比例制备的聚合物膜性能的对比
Figure BDA0003111172570000141
实施例19
将实施例1制得的聚苯并咪唑离子溶剂膜NPBI与对比例制得的m-PBI应用于碱性水电解槽装置中，具体步骤如下：
(1)制备电解水装置的MEA，通过催化剂涂覆基底(CCS)的方法制备阳极和阴极。制备阳极如下：将IrO2粉末(6mg)与去离子水(1mL)和异丙醇(4mL)混合，冰水浴超声处理30分钟后，将催化剂墨水喷涂到镍泡沫(厚度300μm，孔隙率90％，孔径为0.4mm)上，镍泡沫预先经过丙酮处理24h，喷涂完毕以后，在500℃下烧结6h以固定催化剂，称重计算实际负载量。对于阴极的制备，同样采用CCS，将Pt/C(40wt％)、去离子水、异丙醇和粘合剂按照5:20:1质量比配比，其余步骤同上，烧完称量以后，再喷涂催化剂含量的20％的粘合剂(PBI)于镍泡沫上，称重密封保存。
(2)将膜电极夹在阴极和阳极之间来组装电解水装置。使用镀铂Ti板作为集电器。电化学测试在2～6MKOH中进行，温度保持在60～90℃。通过测量不同电流密度下的电池电压获得极化曲线，并且90℃，500mA/cm2的恒定电流下评估其耐久性。
如图2与图3所示，在2M、4MKOH溶液中，不同温度下NPBI与商业m-PBI的性能相接近。在高浓度6MKOH(如图4)溶液中，NPBI性能优于m-PBI，在2.2V下，可达到1500mA/cm2。如图5所示，在碱性电解水装置上的稳定性实验中，相同电压下，NPBI可稳定运行达298h，这是明显优于m-PBI的。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种聚苯并咪唑离子溶剂膜在碱性水电解槽中的应用，其特征在于，所述聚苯并咪唑离子溶剂膜的结构通式为：
Figure FDA0003900788430000011
所述聚苯并咪唑离子溶剂膜的聚合物为均聚物或无规共聚物，其中，n代表聚合度，为10-200的正整数；重均分子量在5000-800000之间；R为下述结构中的一种或多种：
Figure FDA0003900788430000012
所述聚苯并咪唑离子溶剂膜应用于碱性水电解槽中；
所述聚苯并咪唑离子溶剂膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在氮气氛围下，向PPA溶剂中加入含有上述R结构的二酸和联苯四胺，加热搅拌升温至120-160℃，反应3-10小时，趁热将溶液倒入去离子水中，得到丝状聚合物，多次洗涤后加入碳酸氢钠将溶液调至中性，过滤并将得到的固体聚合物用水煮沸，过滤，将得到的聚合物烘干；
步骤2：将烘干的聚合物在25-100℃下溶于极性溶剂中，将得到的聚合物溶液直接浇铸于玻璃板或不锈钢板上，用铸膜刀推平，于60-100℃下干燥5-24h成膜，然后于80-150℃下真空干燥1-24h，即得所述聚苯并咪唑离子溶剂膜。
2.根据权利要求1所述的一种聚苯并咪唑离子溶剂膜在碱性水电解槽中的应用，其特征在于，所述步骤1中含有R结构的二酸单体与联苯四胺在PPA溶剂中的单体浓度为1-25wt％。
3.根据权利要求1所述的一种聚苯并咪唑离子溶剂膜在碱性水电解槽中的应用，其特征在于，所述步骤1中含有R结构的二酸单体与联苯四胺的摩尔用量相同。
4.根据权利要求1所述的一种聚苯并咪唑离子溶剂膜在碱性水电解槽中的应用，其特征在于，所述步骤2中极性溶剂为NMP、DMF、DMAc、DMSO的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种聚苯并咪唑离子溶剂膜在碱性水电解槽中的应用，其特征在于，所述步骤2中聚合物溶液的浓度为2-10wt％。
6.根据权利要求1所述的一种聚苯并咪唑离子溶剂膜在碱性水电解槽中的应用，其特征在于，所述步骤2中聚苯并咪唑离子溶剂膜的厚度为10-100μm。
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